01、研究背景
吉瓦級(jí)儲(chǔ)能電站已成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，每年新增15 GW/30 GW?h電化學(xué)儲(chǔ)能是落實(shí)“碳中和·碳達(dá)峰”目標(biāo)的有效舉措。江蘇、河南、湖南、青海等省份百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的成功投運(yùn)，驗(yàn)證了大規(guī)模儲(chǔ)能電站快速響應(yīng)、精準(zhǔn)調(diào)頻、應(yīng)急支撐等作用，為儲(chǔ)能電站的工程運(yùn)行積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。但現(xiàn)有電站因投資主體、歸屬權(quán)不同，導(dǎo)致多個(gè)百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站之間難以協(xié)同控制，無法充分發(fā)揮電站匯聚效應(yīng)，而吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站是解決該問題的首選。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站可被定義為：在同一區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，可以由電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度的集中或分布式電化學(xué)儲(chǔ)能容量達(dá)到吉瓦級(jí)。其主要特征為：①容量達(dá)到吉瓦級(jí)；②同一區(qū)域電網(wǎng)；③受統(tǒng)一調(diào)度。針對未來儲(chǔ)能裝機(jī)缺額，吉瓦級(jí)儲(chǔ)能電站是一種可行的解決手段，推進(jìn)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)已迫在眉睫。
吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的建設(shè)仍然面臨著許多難題。吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站系統(tǒng)集成難度大、運(yùn)行調(diào)控策略實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，目前仍處于摸索階段。在兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站由數(shù)十兆瓦發(fā)展到百兆瓦的過程中，曾遇到過電池選型指標(biāo)及并網(wǎng)指標(biāo)不完善、不適宜，電站結(jié)構(gòu)中經(jīng)濟(jì)性與安全性不平衡，現(xiàn)有應(yīng)用場景發(fā)展及新型應(yīng)用拓展取舍等問題，因此在電站規(guī)模進(jìn)一步提升至吉瓦級(jí)的過程中，吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站需要借鑒已有的兆瓦/百兆瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)在這些方面的理論分析，才能加快吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的建設(shè)，推動(dòng)新型電網(wǎng)格局的形成與穩(wěn)定運(yùn)行，貫徹落實(shí)國家“四個(gè)革命、一個(gè)合作”的能源安全新戰(zhàn)略。
為推進(jìn)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，本文討論了吉瓦級(jí)儲(chǔ)能電站的電池選型指標(biāo)及并網(wǎng)指標(biāo)；分析了不同電站結(jié)構(gòu)發(fā)展及其優(yōu)劣，為吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站集成規(guī)劃提供參考；梳理了吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站可行的應(yīng)用場景，為吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站指標(biāo)體系建設(shè)提供指引。
02、吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站發(fā)展歷程與現(xiàn)狀
儲(chǔ)能可以解決新能源占比提高問題，但水力儲(chǔ)能手段由于受到地理位置、占地面積等因素限制，近年來發(fā)展緩慢。而電化學(xué)儲(chǔ)能逐漸受到世界各國重視，國內(nèi)外紛紛開展示各類電化學(xué)儲(chǔ)能示范工程項(xiàng)目，在應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展的同時(shí)，電站規(guī)模也不斷擴(kuò)大。國內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能示范工程發(fā)展情況如表1所示。
表1 國內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能示范工程發(fā)展情況
據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，在“十三五”期間，全球電化學(xué)儲(chǔ)能容量由1.3%上升到3.7%，繼而增至5.2%，且仍保持著上升態(tài)勢。從電化學(xué)儲(chǔ)能占比的不斷上升可以看出，盡管各國在地理環(huán)境、人口需求和電力市場等不同方面存在差異，但電化學(xué)儲(chǔ)能電站仍是各國政府非常重視的輔助新能源發(fā)電/電網(wǎng)支撐的核心技術(shù)及裝備，且對其投資力度逐年升高。
03、吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)
吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的電池技術(shù)指標(biāo)以及并網(wǎng)指標(biāo)的建立需要考慮其技術(shù)特點(diǎn)。對電站安全性的考驗(yàn)應(yīng)按照相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行約束；吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的設(shè)備選型，如電池選型、PCS及變壓器等并網(wǎng)設(shè)備選型，需要根據(jù)相關(guān)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)型、安全性、設(shè)備性能做出選擇；電站應(yīng)保證一定的綜合效率。
目前國內(nèi)儲(chǔ)能電池的發(fā)展仍在不斷迭代，考慮到磷酸鐵鋰電池的技術(shù)較為成熟、綜合性能也比較優(yōu)良，可以作為主體電池使用；同時(shí)如鉛炭電池、液流電池等在不同應(yīng)用場景下具有應(yīng)用價(jià)值，可以選擇性使用。在并網(wǎng)指標(biāo)制定時(shí)，需要統(tǒng)籌考慮電站綜合效率、電站設(shè)備選型以及安全水平要求，制定符合電站利益、電網(wǎng)收益的并網(wǎng)指標(biāo)。
04、吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)
4.1 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站集成結(jié)構(gòu)分析
目前存在電壓（方案1）、電流（方案2）及電壓電流共同作用（方案3）三種電站集成結(jié)構(gòu)，其中方案3均衡型儲(chǔ)能電站集成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 方案3均衡型儲(chǔ)能電站集成結(jié)構(gòu)
在相同的容量要求下對比3種方案發(fā)現(xiàn)：方案1中傳統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站通過提高并聯(lián)電池子單元數(shù)量提升電流，最終提高功率的方法需要加裝多個(gè)變壓器，導(dǎo)致成本過高；方案2通過儲(chǔ)能電池單體的高度集成提高儲(chǔ)能模塊電壓，經(jīng)過功率單元后直接接入高壓電網(wǎng)，此方案省去了變壓器成本，經(jīng)濟(jì)性較好，但現(xiàn)有技術(shù)無法將功率單元的器件耐壓提升到承受高壓電網(wǎng)電壓的水平；第3種方案均衡提升電壓與電流，一方面其功率單元承受的電壓小于方案2，目前的技術(shù)已有望實(shí)現(xiàn)，另一方面儲(chǔ)能子單元數(shù)量增多提升了電站的容錯(cuò)率，其故障后切斷或檢修計(jì)劃不會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)過大的電力缺口。
4.2 電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控結(jié)構(gòu)分析
對吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的結(jié)構(gòu)及其監(jiān)控結(jié)構(gòu)的規(guī)劃需要統(tǒng)籌考慮電站的應(yīng)用場景、電站效率、安全性等方面，結(jié)合現(xiàn)有的成熟技術(shù)以及新興的潛力技術(shù)，建立具有高安全性能、良好經(jīng)濟(jì)效益、靈活控制效果的吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站。 電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)
05、吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站應(yīng)用場景
5.1 大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能電站應(yīng)用現(xiàn)狀
吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站具有廣闊的發(fā)展空間，目前國內(nèi)已有對于吉瓦級(jí)電站的規(guī)劃，青海海西州計(jì)劃在格爾木、烏圖美仁等地區(qū)建設(shè)1 GW/2 GW?h電化學(xué)儲(chǔ)能電站，河南、山西、福建、云南、蒙古等地也已對吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的可行性進(jìn)行討論并進(jìn)入了部署階段。
5.2 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用
1）吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站通過接收上級(jí)調(diào)度可以與新能源發(fā)電站之間協(xié)調(diào)控制，有利于新能源發(fā)電并網(wǎng)過程中的暫態(tài)頻率響應(yīng)特性；同時(shí)，儲(chǔ)能裝置的電壓及無功快速調(diào)節(jié)能力可實(shí)現(xiàn)就地?zé)o功功率補(bǔ)償，緩解可再生能源并網(wǎng)導(dǎo)致的電壓波動(dòng)問題。
2）吉瓦級(jí)儲(chǔ)能作為調(diào)頻資源，其容量足夠大，運(yùn)行成本遠(yuǎn)小于常規(guī)調(diào)頻電源，且其作為調(diào)頻資源具備快速響應(yīng)能力，可以將頻率波動(dòng)對電網(wǎng)的影響降至最小。
3）吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的規(guī)模巨大，足以提供電網(wǎng)級(jí)別的電能儲(chǔ)備服務(wù)，在電網(wǎng)的負(fù)荷低谷期儲(chǔ)備電能，在負(fù)荷高峰期釋放電能支撐電網(wǎng)運(yùn)行，從而在提升電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)增加了電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益。
5.3 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站發(fā)電側(cè)應(yīng)用
吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站應(yīng)公平參與電力現(xiàn)貨交易市場，在接受電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度時(shí)，遵循“誰獲益，誰付錢”的原則，進(jìn)行公平對等交易，推廣吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的商業(yè)模式；在收益方面，吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站應(yīng)將現(xiàn)有的電化學(xué)儲(chǔ)能電站技術(shù)集成于吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站內(nèi)，在具備調(diào)壓、輔助調(diào)頻、黑啟動(dòng)等功能的基礎(chǔ)上，借助虛擬同步機(jī)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)第新興技術(shù)，為不同的利益主體提供亟需的服務(wù)，打造獲益模式多元的良性、長遠(yuǎn)的商業(yè)模式。
06、結(jié)語
吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站是實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰國家戰(zhàn)略的有力保障，其規(guī)?；l(fā)展是歷史必然。本文對吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了解析，得出如下結(jié)論：吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站需統(tǒng)籌考慮多個(gè)方面，進(jìn)行電站的規(guī)劃、布局；兼顧安全性、經(jīng)濟(jì)型等指標(biāo)選擇電池；根據(jù)吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站功能定位設(shè)計(jì)電站結(jié)構(gòu)；以完善的指標(biāo)體系引領(lǐng)吉瓦級(jí)儲(chǔ)能電站發(fā)展；效仿青海等地區(qū)的共享儲(chǔ)能等優(yōu)良商業(yè)模式，以政策發(fā)布作為引領(lǐng)，建立吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的獨(dú)特商業(yè)模式。
